鎂鋁異種金屬的攪拌摩擦膠接點(diǎn)焊

丁成鋼，楊 慧

(大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028）

0 前言

目前，膠接與焊接是工業(yè)中最常用的兩種連接技術(shù)，為了改善焊接接頭的連接性能，出現(xiàn)了將膠接與焊接復(fù)合起來(lái)的新工藝——膠焊[1-2]。膠接點(diǎn)焊技術(shù)是一種將點(diǎn)焊與膠接相結(jié)合的新穎、高效的復(fù)合連接工藝[3]，它是在點(diǎn)焊前或點(diǎn)焊完成后，在焊點(diǎn)周圍的裂縫狀間隙中加入膠粘劑的一種連接方法。攪拌摩擦膠接點(diǎn)焊是膠接點(diǎn)焊中極其特殊的一種，它是將膠接技術(shù)與攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)復(fù)合而成的膠焊連接方法。

異種金屬焊接是指把兩種或兩種以上不同的金屬在一定工藝條件下進(jìn)行焊接加工的過(guò)程。由于異種金屬的化學(xué)成分和物理性能明顯不同，因此異種金屬焊接比同種金屬?gòu)?fù)雜得多。Mg和Al均屬于較活潑元素，并且Mg極易與A1反應(yīng)生成金屬間化合物，這給鎂合金與鋁合金的焊接帶來(lái)困難。當(dāng)采用傳統(tǒng)的熔焊方法焊接鎂鋁異質(zhì)金屬時(shí)，在接頭中容易產(chǎn)生氣孔、夾渣、熱裂紋、合金元素?zé)龘p及焊縫區(qū)軟化等問(wèn)題，特別是在接頭界面處容易生成大量的Mg-Al金屬間化合物，嚴(yán)重降低了接頭性能[4]。

本研究針對(duì)AZ31鎂合金與5052鋁合金異種輕質(zhì)高強(qiáng)材料進(jìn)行了攪拌摩擦膠接點(diǎn)焊試驗(yàn)，并分析了接頭特征、組織特點(diǎn)、硬度等。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為工程中常用的AZ31鎂合金和5052鋁合金薄板，尺寸規(guī)格均為200mm×50mm×3mm。選用攪拌頭形狀為圓錐帶凹槽，攪拌針長(zhǎng)度和軸肩尺寸大小分別為2.8cm和φ16mm、3.4cm和φ16mm、2.8 cm和φ18 mm的三種攪拌頭，編號(hào)分別為A、B、C。攪拌頭A設(shè)計(jì)效果及尺寸如圖1所示。首先將三種攪拌頭在同一工藝參數(shù)下進(jìn)行點(diǎn)焊試驗(yàn)，每個(gè)工藝參數(shù)選三個(gè)試樣，對(duì)比分析抗剪試驗(yàn)結(jié)果，最終選出優(yōu)佳的攪拌頭進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的膠接劑為黑色密封膠SIKAFLEX，該膠接劑的部分性能指標(biāo)如表1所示。

圖1 攪拌頭A設(shè)計(jì)及尺寸Fig.1 Design and size of pin tool A

表1 黑色密封膠部分性能指標(biāo)Tab.1 The performance of SIKAFLEX

試驗(yàn)用工藝參數(shù)為:旋轉(zhuǎn)速度950 r/min，焊接停留時(shí)間6 s，軸肩下壓量4.3 mm。在經(jīng)過(guò)XKA714C數(shù)控銑床自行改裝而成的攪拌摩擦焊機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，取接頭在金相顯微鏡上觀察其組織特點(diǎn)，并利用FM-700顯微硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 攪拌頭形狀對(duì)焊點(diǎn)的影響

在選定的焊接工藝參數(shù)下進(jìn)行試驗(yàn)，不同攪拌頭下焊點(diǎn)的外觀形貌如圖2所示，表2為各接頭的力學(xué)性能。

表2 抗剪試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Shear resistance force resultskN

由圖2可知，攪拌頭B所形成焊點(diǎn)表面外觀成形質(zhì)量較差，出現(xiàn)了飛邊現(xiàn)象，并且抗剪力較低，飛邊的產(chǎn)生主要是由于攪拌頭B的攪拌針過(guò)長(zhǎng)所造成的。在旋轉(zhuǎn)攪拌過(guò)程中，軸肩、攪拌針與被焊金屬之間旋轉(zhuǎn)擠壓產(chǎn)生大量的摩擦熱，摩擦熱使焊接金屬產(chǎn)生塑性變形，攪拌針越長(zhǎng)，其在焊接過(guò)程中攪動(dòng)的塑性金屬越多，部分金屬在攪拌針旋轉(zhuǎn)作用和軸肩作用下擠壓出去產(chǎn)生飛邊。與其相比較，運(yùn)用攪拌頭A和攪拌頭C的焊點(diǎn)外觀成形質(zhì)量要強(qiáng)于攪拌頭B，這是由于攪拌頭A與攪拌頭C攪拌針的長(zhǎng)度（均為2.8 cm）比攪拌頭B長(zhǎng)度（3.4 cm）要短，在焊接過(guò)程中所形成的塑性金屬量適中，沒(méi)有多余的塑性金屬溢出，并且抗剪力有所提高，如表2所示。而攪拌頭C與攪拌頭A相比，兩者攪拌針的長(zhǎng)度相同，而攪拌頭C的軸肩相對(duì)較大，增大后的軸肩與金屬之間接觸面積增大，摩擦作用增強(qiáng)，產(chǎn)生了大量的摩擦熱，但是在旋轉(zhuǎn)擠壓的過(guò)程中由于接觸面積的增加，摩擦產(chǎn)生的摩擦熱不均勻，造成局部過(guò)熱或者局部熱量不充分的現(xiàn)象，導(dǎo)致接頭的性能也可能不均勻，其平均抗剪力要低，而攪拌頭A的抗剪力要相對(duì)較大。綜合所述，攪拌頭A相比于其他攪拌頭均表現(xiàn)出了優(yōu)良的焊接性能。

圖2 不同攪拌頭下的焊點(diǎn)Fig.2 Solder joint of different pin tools

2.2 鎂鋁異種金屬攪拌摩擦膠接點(diǎn)焊接頭組織分析

選取攪拌頭A的點(diǎn)焊試驗(yàn)結(jié)果試件，沿垂直于焊縫方向取樣，將制備好的金相試樣用腐蝕劑擦拭，接頭各區(qū)域顯微組織如圖3所示。

圖3 AZ31/5052 Bongding-FSSW接頭各區(qū)域顯微組織Fig.3 Bongding-FSSW microstructures of AZ31/5052

圖3a為AZ31鎂合金與5052鋁合金攪拌摩擦膠接點(diǎn)焊鋁板與鎂板界面結(jié)合區(qū)的顯微組織。從圖中可以看出，鎂側(cè)與鋁側(cè)結(jié)合良好，進(jìn)一步觀察交接界面處，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域是在攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)摩擦攪動(dòng)產(chǎn)生的摩擦熱以及軸肩向下擠壓力的雙重作用下，鎂合金、鋁合金以及膠接劑基體原子相互擴(kuò)散形成的一層新的成分均勻的擴(kuò)散層，該擴(kuò)散層使得上下板結(jié)合良好。

攪拌針作用區(qū)的顯微組織如圖3b所示。由于攪拌針長(zhǎng)度的縮短，故其攪動(dòng)的區(qū)域很小。在攪動(dòng)的區(qū)域中晶粒比較細(xì)小，且分布均勻，這是由于該處組織受到高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭摩擦以及攪拌針向下的壓力作用，在高溫和高壓的綜合作用下使得該區(qū)域晶粒發(fā)生劇烈的塑性變形和再結(jié)晶。同時(shí)，攪拌頭的強(qiáng)烈攪拌對(duì)原始晶粒也起到了一定的破碎作用，故形成了晶粒細(xì)小的等軸晶組織。而其他攪拌針作用區(qū)中大部分沒(méi)有發(fā)生明顯的晶粒破碎和再結(jié)晶組織，但是在高溫和高壓的綜合作用下也發(fā)生了一定的細(xì)化。

圖3c為鎂側(cè)軸肩作用區(qū)組織。軸肩作用區(qū)鄰近交界面，該區(qū)域的組織只受到攪拌頭摩擦熱作用，沒(méi)有發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，不存在塑性流動(dòng)行為，晶粒結(jié)構(gòu)與母材相似，并且由于受到的熱循環(huán)不均勻，使得該處的晶粒粗化，晶粒大小不均勻，整體晶粒尺寸較攪拌針作用區(qū)大很多。

2.3 由鋁板到鎂板縱向顯微硬度分析

圖4 由鋁板至鎂板縱向顯微硬度分布Fig.4 Longitudinal micro hardness distributions from Al to Mg

上述工藝參數(shù)的三種接頭從鋁板到鎂板縱向顯微硬度分布曲線如圖4所示。顯微硬度近似的呈“A”形分布?？梢钥闯霾煌嚰挠捕确植冀埔恢拢X側(cè)與鎂側(cè)硬度值大體相同，鋁側(cè)硬度要比鎂側(cè)硬度稍高，并且變化很小，大約為55～65HV，然而在接頭界面結(jié)合區(qū)，硬度值明顯增大，最高達(dá)到了90 HV。材料的攪拌摩擦膠接點(diǎn)焊在焊縫中可能形成了高硬度的金屬間化合物，在焊接過(guò)程中部分鋁被攪入鎂合金中，形成了高硬度的脆性組織，使得該區(qū)的硬度值明顯提高，這使焊縫變得脆硬，這也是脆性斷裂的主要原因。（2）在攪拌摩擦膠接點(diǎn)焊的過(guò)程中，可能有部分膠接劑被攪拌針攪入焊縫，從而在擴(kuò)散層中形成脆硬組織，導(dǎo)致剪切強(qiáng)度不夠。

3 結(jié)論

（1）攪拌針長(zhǎng)度的縮短和適當(dāng)?shù)臄嚢桀^軸肩尺寸能夠獲得較好的點(diǎn)焊接頭，接頭質(zhì)量和成型效果均較好。

（2）在連接界面處形成了一個(gè)成分均勻的擴(kuò)散層，該擴(kuò)散層使得鋁板和鎂板界面結(jié)合良好。

（3）縱向硬度試驗(yàn)中，擴(kuò)散層附近的硬度值最高，原因是擴(kuò)散層附近可能產(chǎn)生了大量的脆性相。

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[1]Jones B.A Future for Weldbonding Sheet Steel[J].Welding and Fabrieation，1978，46（7/8）：415－420.

[2]Robert W.Messler.Weld-bonding The best or worst of two processes[J].Industrial Robot，2002（29）：138-148.

[3]Jones B.A Future for Weldbonding Sheet Steel[J].Welding and Fabrieation，1978，46（7/8）：415-420.

[4]李線絨.共晶合金中間層連接鎂鋁異種金屬的界面組織及結(jié)合強(qiáng)度研究[J].稀有金屬材料工程，2008，37（11）：2016-2019.